FR2717298A1

FR2717298A1 - Matière plastique renforcée par des fibres, élément de bobinage supraconducteur réalisé avec ladite matière plastique et dispositif à bobinage supraconducteur.

Info

Publication number: FR2717298A1
Application number: FR9402761A
Authority: FR
Inventors: Yoneda Eriko; Itoh Daisuke; Kashima Toshihiro; Inui Hidetomo; Okada Touichi; Nishijima Shigehiro
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-09-15
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: FR2717298B1

Abstract

Une matière plastique renforcée par des fibres et destinée à des usages cryogéniques est obtenue en moulant de façon intégrée des fibres organiques et une résine. La matière plastique renforcée par les fibres est caractérisée en ce que les fibres orgarniques ont des propriétés de dilatation thermique négatives et en ce qu'elles sont agencées de manière anisotrope par rapport à une pluralité d'axes de la matière plastique moulée. L'invention concerne également un bobinage supraconducteur et un dispositif à bobinage supraconducteur comprenant cette matière plastique renforcée par des fibres.

Description

La présente invention se rapporte à des matières plastiques renforcées par des fibres, destinées à des utilisations à des températures cryogéniques.

Plus spécifiquement, elle se rapporte à des matières plastiques renforcées par des fibres pour divers éléments qui doivent être utilisés dans des conditions cryogéniques.

On a utilisé dans des conditions cryogéniques divers éléments, comme par exemple des éléments cylindriques, des éléments en forme de pilier ou de colonne, des éléments de tube, de barre ou de tige, des éléments en forme de disque, des éléments en forme de plaque, ou des combinaisons de tels éléments, et en général ils sont réalisés en métal ou en fibres de verre.

Par exemple, on utilise des dispositifs à bobinage supraconducteur dans les conditions cryogéniques en plongeant les dispositifs dans un liquide cryogénique tel que de l'hélium liquide afin de maintenir leur bobinage supraconducteur à une température inférieure à la température de transition supraconductrice, et un type de tel dispositif comporte des éléments de bobinage réalisés en matière plastique renforcée par des fibres. De nombreux dispositifs à bobinage supraconducteur de ce type sont convenables pour être utilisés avec des courants électriques relativement importants.

On sait qu'un bobinage supraconducteur d'un tel dispositif est formé par exemple en bobinant directement un supraconducteur autour de la périphérie d'un élément de bobinage, ou en enroulant un supraconducteur autour de la périphérie d'un élément de bobinage afin de former un élément de bobinage en couche intérieure, et ensuite en bobinant tour à tour une pluralité de couches de supraconducteur autour de la périphérie de la couche intérieure et une ou plusieurs couches de bobinage successives au moyen d'éléments d'espacement afin de former une ou plusieurs couches d'éléments de bobinage autour de la couche intérieure.

En particulier, les éléments de bobinage de ce type de dispositif auxquels doivent être appliqués un courant alternatif ou des impulsions sont habituellement réalisés en matière plastique renforcée par des fibres de verre (désignée ci-après par abréviation comme PRFV) avec une matrice en résine époxy afin d'empêcher la production d'un courant induit dans l'élément de bobinage.

Toutefois, on constate un inconvénient dans de tels dispositifs à bobinage supraconducteur conventionnels avec des éléments de bobinage en
PRFV.

C'est-à-dire, comme montré par la fig. 1 ci-j ointe, qu'un dispositif à bobinage supraconducteur 4 comporte un élément de corps à bobinage supraconducteur 3 formé en enroulant un supraconducteur 2 autour d'un élément de bobinage en PRFV. Lorsque le dispositif est plongé dans un liquide cryogénique, L'élément de bobinage I se contracte à la fois dans la direction axiale et dans la direction radiale, comme montré par les flèches épaisses A et B à la fig. 1, parce que les fibres de verre et la résine époxy qui composent l'élément de bobinage 1 possèdent des coefficients de dilatation thermique positifs (c'est-à-dire que la dilatation augmente lorsque la température augmente). Puisque le supraconducteur 2 lui-même qui compose l'élément du corps 3 de bobinage supraconducteur est réalisé en un métal ayant un coefficient de dilatation thermique positif, L'élément de corps du bobinage 3 se contracte également à la fois dans la direction axiale et dans la direction radiale comme montré par les flèches épaisses
C et D à la fig. 1. Ainsi, dans la mesure où l'on plonge simplement le dispositif 4 dans un liquide cryogénique, on n'observe aucun relâchement de la fixation entre l'élément de bobinage I et entre l'élément de corps de bobine 3 parce que les deux éléments présentent une contraction thermique similaire. Cependant, lorsqu'on applique un courant électrique à l'élément de corps de bobine 3 dans des conditions cryogéniques, en raison de la force électromagnétique produite par le courant électrique, la contraction dans la direction axiale de l'élément de corps 3, comme montrée par les flèches épaisses C' à la fig. 2 continue à augmenter tandis qu'au contraire l'élément de corps se dilate dans la direction radiale, comme montré par la flèche épaisse E à la fig. 2. Par conséquent, il se produit un relâchement dans la fixation entre l'élément de bobinage 2 et le corps de bobine 3, et par conséquent, le corps de bobine est susceptible de se déplacer en totalité ou en partie pendant l'application d'un courant électrique. Si le corps de bobine 3 se déplace, même légèrement, il se produit une chaleur par friction. Puisqu'un liquide cryogénique, dont un exemple représentatif est de l'hélium liquide, a une chaleur spécifique très faible, il est difficile d'absorber la chaleur de friction par le liquide cryogénique. Il en résulte que le supraconducteur 2 subit une transition supraconductrice.

D'autres exemples d'éléments qui doivent être utilisés dans des conditions cryogéniques sont des éléments de liaison cylindriques, en forme de colonnes ou en forme de plaques destinés à fixer des matériaux de support isolants pour des aimants supraconducteurs, comme par exemple des dispositifs à bobinage hélicoïdaux pour des réacteurs de fusion nucléaire.

Par exemple, un dispositif à bobinage hélicoïdal pour un réacteur de fusion nucléaire est composé d'une enceinte à vide et d'une enceinte à plasma contenue dans cette dernière et entourée d'un bobinage hélicoïdal.

Le bobinage hélicoïdal forme une enceinte à vide intérieure continue dans laquelle est rempli de l'hélium liquide. Il est prévu une partie sous vide afin d'écarter l'enceinte à plasma et le bobinage et le bobinage hélicoïdal de la surface intérieure de l'enceinte à vide afin de les isoler vis-à-vis de la chaleur de radiation extérieure. Le bobinage hélicoïdal est supporté par plusieurs éléments de support isolants allongés qui s'étendent depuis le fond de l'enceinte à vide. Le bobinage hélicoïdal a une structure hélicoïdale circulaire mais il se contracte fortement suivant les trois dimensions à la température de l'hélium liquide lorsqu'on introduit de l'hélium dans le bobinage. Par conséquent, la distribution du plasma produit dans l'enceinte à plasma par le bobinage hélicoïdal risque d'être inégale ce qui a une influence importante et négative sur la réaction de fusion nucléaire. Afin d'empêcher ou de minimiser une telle déformation du bobinage, on fixe les éléments de support les uns aux autres à l'aide d'un élément de liaison.

En général, les éléments de connexion sont cylindriques, sous forme de colonnes ou sous forme de plaques ce qui exige des propriétés de dilatation thermique négatives (c'est-à-dire que la dilatation augmente lorsque la température diminue) dans une direction axiale ou dans la direction de la longueur afin d'empêcher la contraction afin de maintenir la forme des bobinages à la température de l'hélium liquide. Cependant, les éléments de liaison conventionnels sont réalisés en métaux, en céramique, en PRFV, et similaire, et ils se contractent eux-mêmes à une faible température qui est transmise à travers les éléments de support. Par conséquent, les éléments de liaison conventionnels sont insuffisants dans ce but.

Un autre exemple d'élément que l'on utilise dans des conditions cryogéniques sont des éléments d'espacement en forme de plaques pour des dispositifs à aimants supraconducteurs. En particulier, on utilise des éléments d'espacement, pour fixer des aimants dans des cryostats.

Normalement, on utilise des cryostats en tant que récipient afin de stocker un produit réfrigérant et ils sont réalisés en métaux, comme par exemple de l'acier inoxydable, ou en PRFV.

Dans ce cas, un aimant supraconducteur est fixé sur une surface intérieure d'une paroi d'un cryostat par l'intermédiaire d'un élément d'espacement et, en utilisation, L'aimant est plongé dans un réfrigérant comme par exemple de l'hélium liquide. Puisque les matériaux comme l'acier inoxydable et les
PRFV ont des propriétés de dilatation thermique positive comme montré à la fig. 3, ils se contractent avec une diminution de la température.

D'autre part, normalement une résine époxy est imprégnée dans l'aimant afin de fixer un fil supraconducteur et elle se contracte également avec une diminution de la température. Puisque le degré de contraction de l'aimant est supérieur à celle des matériaux ci-dessus, I'espace entre la surface intérieure de la paroi de l'enceinte et l'aimant devient plus large avec une diminution de la température. Par conséquent, L'élément d'espacement exige des propriétés de dilatation thermique négatives dans la direction de l'épaisseur afin de fixer l'aimant sur la paroi même à basse température.

Cependant, les éléments d'espacement conventionnels sont réalisés en
PRFV et se contractent à une basse température parce qu'ils ont des propriétés de dilatation thermique positives. Il est ainsi difficile de fixer l'aimant sur la paroi à la température de l'hélium liquide. De plus, de la chaleur de friction est produite par le coulissement de l'aimant sur la paroi, dont il résulte une transition supraconductrice pour un courant électrique faible.

L'objectif principal de la présente invention est de proposer une matière plastique renforcée par des fibres (désignée ci-après par l'abréviation
PRF) destinée à l'utilisation sous des températures cryogéniques, qui minimise les inconvénients ci-dessus des différents éléments conventionnels, comme les éléments cylindriques, en forme de pilier ou de colonne, les éléments en forme de tube, de barre ou de tige, les éléments en forme de disque ou en forme de plaque, ou les combinaisons de ces éléments que l'on utilise dans des conditions cryogéniques.

Cet objectif ainsi que d'autres objectifs et avantages de la présente invention deviendront apparents aux hommes de métier à la lecture de la description qui va suivre et en se référant aux dessins ci-joints, dans lesquels la fig. I est une coupe longitudinale schématique d'un dispositif à bobinage supraconducteur conventionnel avant application d'un courant électrique; la fig. 2 est une coupe longitudinale schématique du dispositif à bobinage supraconducteur de la fig. 1 après application d'un courant électrique; la fig. 3 est un graphique illustrant la relation entre les coefficients d'expansion thermique et la température de diverses fibres de PRF; la fig. 4 est une vue en perspective schématique d'un élément cylindrique, ou en forme de tube, réalisé en PRF pour un élément de bobinage qui doit être utilisé dans un dispositif à bobinage supraconducteur; la fig. 5 est une vue latérale schématique de l'élément de la fig. 4 qui illustre l'orientation de la mèche, la fig. 6 est un graphique illustrant la relation entre l'angle de bobinage (0) à la fig. 5 et le coefficient de dilatation (a); la fig. 7 est une coupe longitudinale schématique du dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention avant application d'un courant électrique la fig. 8 est une coupe longitudinale schématique du dispositif à bobinage supraconducteur de la fig. 7 après application d'un courant électrique; la fig. 9 est une coupe longitudinale schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention; la fig. 10 est une coupe transversale schématique prise le long de la ligne A-Aàlafig. 9, la fig. 1 1 est un graphique qui illustre la comparaison des transitions supraconductrices entre le dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention et un dispositif conventionnel la fig. 12 est une coupe longitudinale schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention ; et la fig. 13 est une coupe schématique prise le long de la ligne B-B à la fig. 12.

D'après la présente invention, on propose une matière plastique renforcée par des fibres destinée à être utilisée à des températures cryogéniques, obtenue en moulant de manière intégrée des fibres organiques et une résine. La matière plastique renforcée par des fibres, ou "PRF", de la présente invention est caractérisée en ce que les fibres organiques ont des propriétés de dilatation thermique négatives et en ce qu'elles sont agencées de manière anisotrope par rapport à une pluralité d'axes de la
PRF moulée.

La présente invention propose également un élément de bobinage pour un bobinage supraconducteur et un dispositif à bobinage supraconducteur qui comprennent la PRF de la présente invention.

Les fibres organiques présentant des propriétés de dilatation thermique négatives que l'on utilise dans la présente invention sont des fibres ayant une résistance élevée à la traction et un module d'élasticité élevé. Des exemples de telles fibres comprennent des fibres de polyéthylène, des fibres aramides, des fibres de polyarylates (polyester entièrement aromatique), des fibres de polymères PBZ (par exemple polybenzobisoxazole, polybenzobisthiazole) et similaire. Toutes ces fibres ont la propriété unique de se dilater lorsque la température diminue.

De plus, puisque leur densité spécifique est beaucoup plus faible que celle des fibres de verre, elles présentent une résistance spécifique à la traction plus élevée et un module d'élasticité spécifique plus élevé et peuvent constituer des fibres de renfort plus légères. Parmi ces fibres, on préfère des fibres en polyéthylène à haute ténacité parce qu'elles procurent les propriétés les plus désirées. On peut obtenir de telles fibres de polyéthylène à haute ténacité par les procédés tels que décrits dans les documents FR-A-2 448 587 et FR-A-2 459 845.

En plus, de telles propriétés de dilatation thermique, les divers éléments que l'on doit utiliser dans des conditions cryogéniques exigent parfois des propriétés mécaniques telles que des propriétés de flexion, des propriétés de compression, et similaire. Dans un tel cas, on peut mélanger une ou plusieurs fibres inorganiques afin d'assurer des propriétés requises avec les fibres organiques. Des exemples de fibres inorganiques comprennent diverses fibres inorganiques réalisées en carbone, en verre, en alumine, silice, zirconium, titane, carbure de silicium, nitrure de silicium, aluminium, cuivre, acier inoxydable et similaire.

Des exemples pour la résine de matrice utilisée dans la présente invention comprennent les résines époxy, les résines d'ester vinylique, les résines uréthane, les résines uréthanes-acrylates, et similaire. En particulier, on préfère les résines époxy.

La PRF de la présente invention peut être produite en moulant de façon intégrée les fibres organiques, les fibres inorganiques s'il en est prévu, et la matrice suivant un procédé connu en soi, comme par exemple
I'enroulement des filaments ou le laminage, puis le durcissement.

Cependant, dans la PRF de la présente invention, les fibres organiques sont agencées de façon anisotrope par rapport à une pluralité d'axes de la
PRF moulée résultante. C'est-à-dire que les fibres organiques sont forcées suivant des axes respectifs de la PRF (par exemple des axes longitudinaux et des axes horizontaux) au moins dans une direction.

Un aspect de la PRF de la présente invention est la PRF moulée utilisée en tant qu'élément de bobinage pour un dispositif à bobinage supraconducteur. C'est-à-dire que la présente invention propose également un élément de bobinage réalisé avec la PRF de la présente invention, pour un dispositif à bobinage supraconducteur qui doit être utilisé dans des conditions cryogéniques. Un tel dispositif à bobinage supraconducteur comporte un élément de corps à bobinage supraconducteur formé en enroulant un supraconducteur autour de la périphérie de l'élément de bobinage. L'élément de bobinage est caractérisé en ce qu'une mèche de fibres organiques de la PRF est agencée de telle sorte qu'un coefficient de dilatation thermique dans la direction circonférentielle (a) est compris entre 2 et -27 x 10o [1/K] (pour un cylindre ayant un diamètre extérieur de 110 mm, un diamètre intérieur de 80 mm et une longueur de 200 mm). Ce coefficient de dilatation thermique peut être obtenu en orientant la mèche à i 40 à + 80" par rapport à l'axe principal du corps.

La fig. 4 est une vue en perspective schématique d'un élément cylindrique, ou en forme de tube réalisé en PRF, pour l'élément de bobinage, et la fig. 5 est une vue latérale schématique de l'élément cylindrique ou en forme de tube, illustrant l'orientation de la mèche. A la différence des fibres de verre et des fibres de céramique normales, puisque les fibres organiques de la PRF de la présente invention possèdent un coefficient de dilatation thermique négatif, elles présentent la propriété unique de se dilater dans la direction longitudinale des fibres (direction des fibres) lorsque la température diminue. C'est-à-dire que lorsque les fibres organiques sont agencées de la manière montrée à la fig. 5, la PRF résultante possède un coefficient de dilatation thermique négatif dans la direction d'orientation des fibres et elle présente un coefficient de dilatation thermique positif dans la direction radiale.

Lorsque la mèche de fibres organiques est enroulée avec une matrice de résine époxy afin de produire un élément cylindrique ou en forme de tube 5 en PRF, comme montré à la fig. 4, les variations de dimension de l'élément 5 à la fois dans la direction axiale et dans la direction radiale dépendent de l'angle d'enroulement 0, comme montré à la fig. 5.

La fig. 6 est un graphique qui illustre qui illustre la relation entre l'angle d'enroulement O et le coefficient de dilatation thermique a. A la fig. 6, Xa et Xr représentent les coefficients de dilatation thermique de la matière plastique renforcée par les fibres organiques (PRFO) de la présente invention dans les directions axiale et radiale respectivement. De manière spéciale, les fibres organiques sont dans ce cas en polyéthylène de haute ténacité. En tant que référence, la fig. 6 montre également les coefficients de dilatation de dilatation d'une matière plastique renforcée par des fibres de verre (PRFV) dans les directions axiale et radiale par Ya et Yr respectivement. Comme on le voit à la fig. 6, dans le cas de la PRFO, même si la matrice utilisée possède un coefficient de dilatation thermique positif, dans la mesure où l'angle O est situé dans la plage de +40 à + 80 , la PRFO résultante possède un coefficient de dilatation thermique négatif important dans la direction radiale mais un coefficient de dilatation thermique positif important dans la direction axiale. Grâce à ceci, lorsque l'angle O est dans cette plage, la PRFO résultant se dilate fortement dans la direction radiale lorsque la température diminue tandis qu'elle se contracte de façon importante dans la direction axiale. D'autre part, dans le cas d'une PRFV puisque les fibres de verre elles-mêmes possèdent un coefficient de dilatation positif dans toutes les directions, la PRF résultante possède un coefficient de dilatation thermique positif à la fois dans la direction axiale et dans la direction radiale indépendamment du réglage de l'angle O et les propriétés désirées ci-dessus de la PRF de la présente invention ne peuvent pas être obtenues.

La présente invention propose également un dispositif à bobinage supraconducteur qui comporte l'élément de bobinage ci-dessus de la présente invention. Puisque l'élément de bobinage de la présente invention présente les propriétés décrites ci-dessus, on peut contrôler et minimiser de façon désirable la transition supraconductrice que l'on observe dans un dispositif à bobinage supraconducteur conventionnel comme décrit ci-avant. Les figs. 7 et 8 illustrent ces propriétés désirées.

La fig. 7 est une coupe longitudinale schématique du dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention, avant application d'un courant électrique. La fig. 8 est une coupe longitudinale schématique du dispositif à bobinage supraconducteur de la fig. 7, après application d'un courant électrique. Dans le dispositif à bobinage supraconducteur 14 de la présente invention, un corps de bobine 13 est formé en enroulant un supraconducteur 12 autour de l'élément de bobinage 11 fabriqué avec le
PRF de la présente invention, dans lequel la mèche de fibres organiques ayant les propriétés ci-dessus est orientée à +40 à +800 par rapport à l'axe principal du corps de bobine 13. Lorsque le dispositif est plongé dans un liquide cryogénique, L'élément de bobinage 11 se contracte fortement dans la direction axiale, comme montré par les flèches épaisses
J et J, tandis qu'il se dilate fortement dans la direction radiale, comme montré par la flèche épaisse K. D'autre part, le corps de bobine 13 se contracte à la fois dans la direction axiale et dans la direction radiale, comme montré par les flèches épaisses C et D. C'est-à-dire que l'élément de bobinage 11 et le corps de bobine 13 subissent des variations dimensionnelles opposées dans la direction radiale et de plus, la contraction de l'élément de bobinage 1 1 dans la direction axiale est supérieure à celle du corps de bobine. Ainsi, la fixation entre l'élément de bobinage 11 et le corps de bobine 13 est fortement renforcée par comparaison aux conditions de température normale.

Lorsqu'on applique un courant électrique au corps de bobine 13 dans des conditions cryogéniques, en raison de la production d'une force électromagnétique, la contraction du corps 13 dans la direction axiale devient plus forte, comme montré par les flèches C' et C' à la fig. 8, tandis qu'il se dilate dans la direction radiale, comme montré par la flèche E.

C'est-à-dire que le corps de bobine 13 se dilate et se contracte d'une manière telle que la fixation entre le corps de bobine et l'élément de bobinage 11 devient lâche. Cependant, puisque la fixation entre eux a été fortement renforcée par l'immersion dans le liquide cryogénique, la résistance de la fixation entre le corps de bobine 13 et l'élément de bobinage 1 1 est maintenue au même niveau que celui sous les conditions de température normale. Par conséquent, on peut contrôler ou minimiser le relâchement de la fixation entre le corps de bobine 13 et l'élément de bobinage 11 afin d'empêcher une transition supraconductrice provoquée par ce relâchement.

Un autre aspect de la PRF de la présente invention est la PRF moulée utilisée en tant qu'élément cylindrique, en forme de colonne ou de pilier, ou en forme de plaque, convenable pour réaliser un élément de liaison pour un élément de support isolant d'un dispositif à bobinage hélicoïdal pour un réacteur à fusion nucléaire.

Comme décrit ci-dessus, un élément de liaison conventionnel présente l'inconvénient de se contracter sous les conditions cryogéniques. Lorsque l'on moule un élément cylindrique, en forme de colonne, de pilier ou de plaque, en PRF, en utilisant une mèche ou un élément en fibres organique s pré imprégnées, L'élément se dilate dans la direction axiale, ou la direction de la longueur, dans des conditions cryogéniques afin de fixer le bobinage hélicoïdal.

Bien que la résine de matrice utilisée possède des propriétés de dilatation thermiques positives, lorsqu'on embobine, ou qu'on lamine une mèche ou des fibres organique s préimprégnées qui possèdent des propriétés de dilatation thermique négatives de telle manière qu'elles sont orientées de 5 à 40 par rapport à la direction axiale de la PRF résultante, on peut obtenir l'élément désiré. Si l'angle par rapport à la direction axiale est inférieur à 5 , L'élément résultant est mécaniquement instable. Si l'angle par rapport à la direction axiale est supérieur à 400 l'élément résultant a des propriétés de dilatation thermique positives dans la direction axiale.

Encore un autre aspect de la PRF de la présente invention, est la PRF moulée utilisée en tant qu'élément d'espacement en forme de plaque entre un aimant et une paroi intérieure d'un cryostat. L'élément d'espacement en
PRF est moulé en utilisant une mèche ou un tissu de fibres organiques ayant des propriétés de dilatation thermique négatives, et en le coupant à l'angle correct par rapport à la direction des fibres. L'élément d'espacement est utilisé de telle manière que les surfaces de coupe sont en face de l'aimant et de la paroi intérieure d'un cryostat. Grâce à ceci,
L'élément d'espacement se dilate dans la direction de l'épaisseur entre l'aimant et la paroi intérieure d'un cryostat lorsque la température diminue afin d'empêcher ou de minimiser le glissement de l'aimant. Par comparaison avec un métal, comme par exemple de l'acier inoxydable, ou avec de la PRFV, la PRF de la présente invention qui utilise des fibres organique s, en particulier des fibres de polyéthylène, présente un coefficient de friction très faible. Par conséquent, même si l'aimant glisse sur la paroi, on peut minimiser la production de chaleur par friction.

Les exemples et les exemples comparatifs suivants aident à illustrer la présente invention en détail. Cependant, ils ne doivent pas être compris comme limitant la portée de la présente invention.

Exemple 1
La fig. 9 est une coupe longitudinale schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention, et la fig. 10 est une coupe schématique prise le long de la ligne A-Aàlafig. 9.

Le dispositif à bobinage supraconducteur est composé d'un élément de bobinage 21 et d'un corps de bobine supraconducteur 23 qui est formé en enroulant un supraconducteur 22 autour de l'élément de bobinage 21.

L'élément de bobinage 21 est moulé en PRF en utilisant des fibres de polyéthylène à haute ténacité, et il comporte des parties en forme de bride 24a et 24b aux deux extrémités. Sur la périphérie de la surface extérieure de l'élément de bobinage 21 est prévue une gorge spiralée 25 entre les brides 24a et 24b. En outre, sur la surface extérieure de l'élément de bobinage 21 sont prévues une pluralité de gorges 26, formant canaux d'écoulement qui s'étendent dans la direction axiale entre les brides 24a et 24b. Les gorges 26 sont plus profondes que la gorge 25. Des trous 27 traversent les brides 24a et 24b et communiquent avec les gorges 26, de sorte qu'un liquide cryogénique est guidé à travers les trous dans les canaux d'écoulement afin de refroidir le supraconducteur. Un solénoïde du supraconducteur 22 est réalisé autour de l'élément de bobinage 21 et une partie du supraconducteur est engagée dans la gorge 25.

Pour produire la PRF pour l'élément de bobinage 21, on a utilisé des filaments de polyéthylène à haute ténacité ayant une résistance de 35 g/d (grammes par dernier) et une résine époxy en tant que résine de matrice.

On a formé un élément cylindrique tel que montré à la fig. 4, en enroulant le filament autour d'un mandrin en imprégnant la résine époxy conformément à un moulage à enroulement de filament comme montré à la fig. 5, de sorte que l'angle d'enroulement O à la fig. 5 était de +65o.

L'élément cylindrique a été durci en le maintenant à 1000C pendant deux heures et ensuite à 1300C pendant trois heures afin d'obtenir la PRF moulée désirée. La teneur en fibres était de 65% en volume.

Ensuite, on a formé les brides 24a et 24b aux deux extrémités de l'élément cylindrique par usinage et on a formé la gorge spiralée 25 avec une section transversale en forme de V de 3 mm de profondeur et un angle d'ouverture de 90 sur la surface extérieure de l'élément cylindrique entre les brides, avec un pas de 8 mm. Ensuite, on a formé 36 gorges 26, ou canaux d'écoulement, dans la direction axiale et ayant chacune une profondeur de 4 mm et une largeur de 4 mm sous un pas de 10 par rapport à la direction circonférentielle. De plus, on a formé des trous 27 à travers les brides et mis en communication avec les extrémités respectives des gorges d'écoulement afin d'obtenir l'élément de bobinage 21 ayant un diamètre intérieur de 80 mm, un diamètre extérieur de 100 mm et une longueur de 150 mm dans la direction axiale.

Le dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention (dispositif à PRFO) a été obtenu en enroulant le supraconducteur 22 sous la forme d'un fil de 1,28 mm de diamètre autour de l'élément de bobinage 21 ainsi obtenu tout en appliquant une tension de 490N de sorte que le fil supraconducteur était engagé dans la gorge 25.

A titre de référence, on a produit le même dispositif supraconducteur (dispositif à PRFV) de la même manière, à l'exception du fait que l'on a utilisé des fibres de verre à la place des filaments en polyéthylène à haute ténacité.

On a plongé les deux dispositifs dans de l'hélium liquide et on a mesuré leurs courants électriques de transition supraconductrice. Comme montré à la fig. 11, il en résulte que le dispositif à PRFV présentait une transition supraconductrice à 1000 A. D'autre p 22 enroulé autour de l'élément de bobinage soit engagé dans la gorge 25 comme décrit ci-dessus, le supraconducteur 22 est automatiquement positionné au centre de la gorge en V. Grâce à ceci, I'enroulement du supraconducteur est facilement effectué et les écarts du supraconducteur à partir de la position correcte ont été minimisés lors de l'application d'un courant électrique. En outre, I'isolation électrique entre les parties de spires adjacentes du supraconducteur 22 a été maintenue en choisissant pour la gorge spiralée 25 un pas plus important que le diamètre du fil de supraconducteur.

Exemple 2
Un élément en forme de tube a été formé en enroulant une fibre aramide (Kevlar TM 49) en tant que fibre de renforcement autour d'un mandrin avec imprégnation à la résine époxy suivant un moulage avec enroulement de filament (voir fig. 5) de sorte que l'angle d'enroulement 6 est de i 75".

Exemple 3
Un élément en forme de tube a été formé en enroulant une fibre de polyarylate (BectoranTM fabriqué par Kuraray, Japon) en tant que fibre de renforcement autour d'un mandrin avec imprégnation à la résine époxy suivant un moulage à enroulement de filament de sorte que l'angle d'enroulement O est de +470
Exemple comparatif I
Un élément en forme de tube a été formé en enroulant une fibre de verre en tant que fibre de renfort autour d'un mandrin avec imprégnation à la résine époxy suivant un moulage à enroulement de filament de sorte que l'angle d'enroulement O était de i 65"
Exemple comparatif 2
Un élément en forme de tube a été formé en enroulant le filament de polyéthylène à haute ténacité telle qu'utilisé dans l'exemple 1 en tant que fibre de renfort autour d'un mandrin avec imprégnation à la résine époxy suivant un moulage à enroulement de filament de sorte que l'angle d'enroulement O était de 90"
Exemple comparatif 3
Un élément en forme de tube a été formé en enroulant la fibre aramide telle qu'utilisée dans l'exemple 2 en tant que fibre de renfort autour d'un mandrin avec imprégnation à la résine époxy suivant un moulage à enroulement de filament de sorte que l'angle d'enroulement O était de 30".

Les propriétés d'entraînement des éléments produits dans l'exemple 1 à 3 et les exemples comparatifs 1 à 3 sont résumées dans la table 1.

Table I

<tb> <SEP> Ex. <SEP> No. <SEP> Fibre <SEP> O <SEP> Nombre <SEP> Courant <SEP> de
<tb> <SEP> ( ) <SEP> d'entraînements <SEP> transition <SEP> max.
<tb>

<SEP> Ex. <SEP> 1 <SEP> PE <SEP> 65 <SEP> 4 <SEP> 1450
<tb> <SEP> Ex. <SEP> 2 <SEP> aramide <SEP> 75 <SEP> 5 <SEP> 1360
<tb> <SEP> Ex. <SEP> 3 <SEP> polyarylate <SEP> 47 <SEP> 5 <SEP> 1300
<tb> Ex. <SEP> comp. <SEP> I <SEP> verre <SEP> 65 <SEP> 15 <SEP> 1000
<tb> Ex. <SEP> comp. <SEP> 2 <SEP> PE <SEP> 90 <SEP> 7 <SEP> 950
<tb> Ex. <SEP> comp. <SEP> 3 <SEP> aramide <SEP> 30 <SEP> 9 <SEP> 1000
<tb> PE <SEP> : <SEP> polyéthylène
<tb>
Comme on le voit de la table 1, dans les aimants obtenus dans les exemples 1 à 3, on a obtenu un courant Iq élevé pour un nombre d'entraînements inférieur. Ceci montre que la stabilité du bobinage est très élevée. En particulier, lorsque le filament de polyéthylène à haute ténacité est utilisé, cette tendance devient remarquablement significative. Au contraire, dans les éléments obtenus dans les exemples comparatifs 1 à 3, un nombre d'entraînements élevé est nécessaire et les valeurs de Iq sont faibles.

Exemple 4 et exemples comparatifs 4 et 5
De la même manière que décrit dans l'exemple 1, on a formé un élément en forme de tube (diamètre extérieur : 100mm, longueur 5000 mm, épaisseur de paroi 15 cm) destiné à être utilisé en tant qu'élément de liaison d'un dispositif à bobinage hélicoïdal pour un réacteur à fusion nucléaire en utilisant le filament de polyéthylène à haute ténacité en tant que fibre de renfort et une résine époxy (exemple 4 et exemple comparatif 4).

De la même manière, on a formé un élément en forme de tube à l'exception du fait que l'on a utilisé une fibre de verre au lieu du filament de polyéthylène (exemple comparatif 5).

Les coefficients de dilatation thermique, les propriétés anti-craquage, la stabilité du plasma de ces éléments ont été évalués de la manière suivante.

Coefficient de dilatation thermique
Une jauge de contrainte a été attachée sur l'élément en forme de tube et celui-ci a été plongé dans l'azote liquide. On a mesuré la variation dimensionnelle dans la direction axiale.

Propriétés anti-craquage
On a laissé l'élément en forme de tube à température ambiante et on l'a ensuite plongé dans de l'hélium liquide pendant 30 minutes. Ensuite,
L'élément a été sorti de l'hélium liquide. On a observé le craquage et l'on l'a évalué visuellement à l'aide des critères suivants
A : propriété anti-craquage suffisante
B : propriété anti-craquage insuffisante
C : propriété anti-craquage mauvaise
Stabilité du plasma
La stabilité du plasma pendant le fonctionnement a été évaluée par les critères suivants
A : stabilité suffisante
B : stabilité insuffisante
C: instable
Les résultats de l'évaluation et l'angle d'enroulement O de ces éléments sont montrés à la table 2.

Table 2

<tb> <SEP> Ex. <SEP> No. <SEP> O <SEP> Coefficient <SEP> de <SEP> Propriétés <SEP> Stabilité <SEP> du
<tb> <SEP> ( ) <SEP> dilatation <SEP> thermique <SEP> anti-craquage <SEP> plasma
<tb> <SEP> dans <SEP> la <SEP> direction
<tb> <SEP> axiale
<tb> <SEP> Ex. <SEP> 4 <SEP> 28 <SEP> -26 <SEP> x104(IPC) <SEP> A <SEP> A
<tb> Ex. <SEP> comp. <SEP> 4 <SEP> 0 <SEP> -12 <SEP> C <SEP> C
<tb> Ex. <SEP> comp. <SEP> 5 <SEP> 35 <SEP> 8 <SEP> A <SEP> C
<tb>
Exemple 5 et exemple comparatif 6
On a produit un élément en forme de plaque en tant qu'élément d'espacement destiné à être utilisé dans des conditions cryogéniques en utilisant de la PRF composée d'un tissu en matériau de renfort unidirectionnel réalisé en filaments de polyéthylène à haute ténacité comme utilisé dans l'exemple 1, et une matrice de résine époxy (exemple 5). L'élément en forme de plaque possédait des propriétés de dilatation négatives dans la direction des fibres et d'excellentes propriétés en friction à la température de l'hélium liquide en plus d'excellentes propriétés à la flexion et à la compression. Grâce à ceci, on a remarquablement amélioré les propriétés à la transition.

D'autre part, un élément en forme de plaque produit de la même manière, à l'exception du fait qu'on a utilisé un textile tissé en fibre de verre ou de l'alumine de renfort unidirectionnel à la place du tissu de polyéthylène ou du matériau de renfort unidirectionnel (exemple comparatif 6) présentait des propriétés de dilatation positives. Bien qu'il présentait d'excellentes propriétés à la flexion et à la compression sous des conditions cryogéniques, ses propriétés en friction vis-à-vis d'une résine époxy ou similaire étaient inférieures et par conséquent ses propriétés de transition étaient également inférieures.

Exemple 6
La fig. 12 est une coupe longitudinale schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif à bobinage supraconducteur de la présente invention et la fig. 13 est une coupe schématique prise le long de la ligne
B-B de lafig. 12.

Le dispositif à bobinage supraconducteur est composé d'un élément de bobinage 31 et d'un corps de bobine supraconducteur 34 ayant deux couches de bobinage formées en enroulant des supraconducteurs 33 autour de l'élément de bobinage au moyen d'un élément d'espacement 32.

L'élément de bobinage 31 est réalisé de la PRF tel qu'utilisée dans l'exemple 1. Des brides 35a et 35b sont formées aux deux extrémités de l'élément de bobinage 31 et une pluralité de gorges 36, formant des canaux d'écoulement et s'étendant axialement sont formées de telle manière qu'elles entourent la périphérie de la surface extérieure entre la bride 35a et la bride 35b de l'élément de bobinage 31. Une pluralité d'éléments d'espacement 32 allongés et s'étendant axialement sont agencés autour de la périphérie de la première couche de bobinage 39 à certains intervalles. Les trous 37 pénètrent à travers les brides 35a et 35b et communiquent vers les deux extrémités des gorges respectives 36 ou vers les ouvertures entre les éléments d'espacement 32, de sorte qu'un liquide cryogénique peu traverser à cet endroit-là afin de refroidir le bobinage supraconducteur.

Le corps 34 du bobinage supraconducteur est formé en enroulant le supraconducteur 33 et un fil factice isolant 38 ensemble autour de la surface extérieure de l'élément de bobinage 31 avec une tension constante afin de former la première couche parallèle 39 de bobine solénoïde et en enroulant ensuite le supraconducteur 33 et un fil factice isolant 38 ensemble autour de la surface extérieure de la première couche de bobine 39 au moyen des éléments d'espacement 32 avec une tension constante afin de former la seconde couche parallèle 40 de bobine solénoïde.

L'élément d'espacement 32 a été produit en préparant un élément pré-imprégné de fibres organiques renforcé de manière unidirectionnelle et une matrice de résine époxy, en laminant de façon alternative une pluralité d'éléments préimprégnés à i 65" par rapport à la direction axiale (par exemple 25 éléments préimprégnés) et en moulant le laminé résultant sous une forme cylindrique et en faisant durcir le matériau moulé en le maintenant à 100"C pendant 2 heures et ensuite à 1300C pendant 3 heures.

Lorsque l'élément de bobinage ayant cette structure est refroidi à des conditions cryogéniques, l'élément de bobinage se contracte dans la direction axiale et les éléments d'espacement se dilatent dans la direction radiale. Grâce à ceci, on peut empecher un relâchement de la fixation entre l'élément de bobinage 31 et le corps de bobine 34 ainsi qu'un relâchement de la fixation entre la première couche de bobine 39 et la seconde couche de bobine 40 et on peut minimiser l'apparition d'une transition supraconductrice en raison du relâchement.

En variante, lorsque le dispositif peut être suffisamment refroidi, on peut par exemple remplacer les éléments d'espacement allongés 32 ci-dessus par une couche d'éléments préimprégnés de renfort unidirectionnels en fibres organiques formés en enroulant une pluralité d'éléments préimprégnés autour de la surface extérieure de la première couche de bobine et en faisant durcir cette couche.

Claims

Revendications

1. Matière plastique renforcée par des fibres, destinée à l'utilisation & ' des températures cryogéniques, obtenue en moulant de façon uniforme des fibres organiques et une résine, caractérisée en ce que les fibres organiques ont des propriétés de dilatation thermique négatives et qu'elles sont agencées de manière anisotrope par rapport à une pluralité d'axes de ladite matière plastique renforcée par des fibres.

2. Matière plastique renforcée par des fibres selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est un élément cylindrique, en forme de colonne, ou en forme de disque et présente des propriétés de dilatation thermique négatives dans sa direction circonférentielle.

3. Matière plastique renforcée par des fibres selon la revendication 2, caractérisée en ce que le coefficient de dilatation thermique dans la direction circonférentielle (a) est compris entre 2 et -27x104 [1/K].

4. Matière renforcée par des fibres selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les fibres sont orientées de +40 à + 80 par rapport à l'axe principal de l'élément.

5. Matière plastique renforcée par des fibres selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est un élément cylindrique, sous forme de colonne, sous forme de tube ou de plaque et présente des propriétés de dilatation thermique négatives dans sa direction axiale ou dans la direction de sa longueur.

6. Matière plastique renforcée par des fibres selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est un élément en forme de plaque et présente des propriétés de dilatation thermique négatives dans la direction de son épaisseur.

7. Matière plastique renforcée par des fibres selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres organiques sont des fibres de polyéthylène ayant une résistance élevée à la traction et un module d'élasticité élevé.

8. Elément de bobinage supraconducteur destiné à être utilisé dans les conditions cryogéniques, réalisé avec la matière plastique renforcée par des fibres selon l'une quelconque des revendications 2 à 4.

9. Elément de bobinage supraconducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est prévu une gorge spiralée sur la surface périphérique extérieure dudit élément afin d'engager et de fixer un supraconducteur pour le bobinage.

10. Elément de bobinage supraconducteur selon l'une ou l'autre des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il est prévu sur la surface périphérique extérieure dudit élément au moins un canal d'écoulement afin de guider un liquide cryogénique pour refroidir le supraconducteur.

11. Dispositif à bobinage supraconducteur destiné à être utilisé dans des conditions cryogéniques, comprenant un élément de corps de bobine supraconducteur formé en enroulant un supraconducteur autour de la périphérie d'un élément de bobinage afin de former un élément de bobine intérieur en couche et en enroulant ensuite tour à tour une pluralité de couches de supraconducteur autour de la périphérie de l'élément de bobine intérieur en couche et une ou plusieurs couches de bobine successives à l'aide d'élément d'espacement afin de former une ou plusieurs couches d'éléments de bobine autour de l'élément de bobine intérieur en couche, ledit appareil à bobinage supraconducteur étant caractérisé en ce que l'élément de bobinage et les éléments d'espacement sont formés en orientant une mèche de fibres en polyéthylène ayant une résistanoe à la tension et un module d'élasticité élevés de + 40 à + 80 degrés par rapport à l'axe principal de l'élément de corps de bobine.

12. Dispositif à bobinage supraconducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est prévu une gorge spiralée sur la surface périphérique dudit élément afin de contenir et de fixer un supraconducteur pour le bobinage.

13. Dispositif à bobinage supraconducteur selon l'une ou l'autre des revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un canal d'écoulement afin de guider un liquide cryogénique pour refroidir le supraconducteur, sur la surface périphérique extérieure dudit élément.